人機(jī)共駕時(shí)代，我們需要什么樣的座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)？

據(jù)CDC統(tǒng)計(jì)，全美每天就有9個(gè)人死于分心駕駛。歐洲已經(jīng)將駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS，Driver Monitoring System）列入了新車安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（Euro NCAP）的項(xiàng)目中，未來幾年歐盟將在所有新車型中強(qiáng)制配置DMS。

在我國(guó)，已對(duì)“兩客一危”等商用車車型安裝DMS系統(tǒng)作出強(qiáng)制要求，乘用車搭載要求也在推進(jìn)制定中。隨著人機(jī)共駕時(shí)代到來，駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）和乘客監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（OMS，Occupant Monitoring System）將成為新一代智能汽車的安全標(biāo)配。

圖1：全球DMS市場(chǎng)預(yù)測(cè)

（來源：FMI）

據(jù)Future Market Insights（FMI）預(yù)估，2022年全球駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)市場(chǎng)估值為 42.466億美元，該市場(chǎng)將以7.5%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2032年達(dá)到87.709億美元。

而來自億歐智庫(kù)的預(yù)測(cè)顯示，2022年中國(guó)乘用車DMS市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了11.7億元人民幣，預(yù)計(jì)2025年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到43.2億元人民幣，滲透率將達(dá)到30%。

圖2：中國(guó)DMS市場(chǎng)增長(zhǎng)前景

（來源：億歐智庫(kù)）

座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：人機(jī)共駕時(shí)代的標(biāo)配

最早的DMS來自豐田在2006年發(fā)布的GS450h車型，系統(tǒng)的工作原理較為簡(jiǎn)單，通過一個(gè)CCD攝像頭對(duì)于駕駛員的面部進(jìn)行紅外追蹤，從而判斷其是否注意力集中。

而后隨著視覺和雷達(dá)等傳感技術(shù)的進(jìn)一步成熟，DMS的監(jiān)測(cè)方式更加多元化，加入了對(duì)于人體特征的生物檢測(cè)技術(shù)，從而提高了駕駛員信息獲取的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，OMS相關(guān)的應(yīng)用也隨之逐漸興起。

圖3：ECAP發(fā)布2025路線圖

（圖源：ECAP）

當(dāng)前DMS的主要功能包括疲勞檢測(cè)、醉酒檢測(cè)、分心檢測(cè)和危險(xiǎn)行為檢測(cè)等，主要通過對(duì)于駕駛員的面部五官、人體體征和身體行為三個(gè)方面來進(jìn)行檢測(cè)。

面部五官的檢測(cè)包括眨眼的頻率、眼睛的開合度、打呵欠的頻率、面部朝向等；體征的檢測(cè)包括心率、脈搏和體溫等；身體行為的檢測(cè)則包括對(duì)于駕駛?cè)说氖?、胳膊等行為進(jìn)行判斷。

圖4：駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（來源：貿(mào)澤電子）

OMS的技術(shù)原理與之類似，但被檢測(cè)的主體變成了車內(nèi)乘客，因此更為看重對(duì)乘客的隱私保護(hù)。OMS的方案中通常會(huì)采用3D ToF的方案來取代視覺傳感器，同時(shí)配合毫米波雷達(dá)的體征檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)乘客的體征識(shí)別，從而進(jìn)行個(gè)性化的座艙內(nèi)場(chǎng)景設(shè)置。譬如檢測(cè)兒童是否安坐在安全座椅上，兒童或?qū)櫸锸欠駟为?dú)留在車內(nèi)，乘客的情緒狀態(tài)等等。

從系統(tǒng)角度來分析，不論是DMS還是OMS方案，主要的硬件組成包括攝像頭模組、毫米波雷達(dá)、ToF傳感器、DMS控制器、紅外補(bǔ)光燈、座艙域控制器以及提示儀表等。在算法層面，則需要大算力芯片廠商提供算法參考和工具鏈。最終具有上下游整合能力的AI算法企業(yè)和硬件供應(yīng)商一起合作，將軟硬一體化的方案提供給主機(jī)廠。

圖5：部分DMS方案供應(yīng)商

（來源：ResearchInChina）

國(guó)內(nèi)DMS發(fā)展：追求高功能和差異化

據(jù)億歐智庫(kù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)2021年新發(fā)布乘用車中，15～75萬價(jià)位區(qū)間的智能座艙滲透率達(dá)到了50%左右。智能化座艙已經(jīng)成為智能汽車發(fā)展的核心，主機(jī)廠也期望通過汽車座艙技術(shù)來尋求差異化和個(gè)性化的發(fā)展。當(dāng)前在國(guó)產(chǎn)新勢(shì)力電動(dòng)車中，AR-HUD、多屏聯(lián)動(dòng)、擬人化人機(jī)交互和多模態(tài)交互等特色功能均在智能座艙中有所體現(xiàn)，其中DMS和OMS也是多模態(tài)交互的重要組成部分，起到了艙內(nèi)感知和監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵作用。

圖6：2021年中國(guó)乘用車智能座艙滲透率

（來源：億歐智庫(kù)）

國(guó)產(chǎn)造車新勢(shì)力的代表“蔚小理”，在2022年全年交付量相繼突破10萬大關(guān)，三家代表廠商針對(duì)DMS也都有各自差異化的布局。

蔚來DMS通過車內(nèi)攝像頭采集圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)乘員狀態(tài)信息識(shí)別；將DMS與輔助駕駛功能融合，當(dāng)駕駛員連續(xù)駕駛超過300公里，自動(dòng)關(guān)閉NIO Pilot功能。

小鵬的DMS特色在于駕駛員安全健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行心跳、呼吸、血氧飽和度等生物體征識(shí)別，對(duì)駕駛員的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和提醒。

理想在最新的L9車型中，則提供了“主被動(dòng)結(jié)合式”的監(jiān)測(cè)。車內(nèi)的3D ToF傳感器，可以實(shí)時(shí)感知座艙內(nèi)乘客的環(huán)境；方向盤后的信號(hào)攝像頭可以分析駕駛員的頭部軌跡、眼球軌跡和面部表情等，實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測(cè)。除了三家代表廠商外，國(guó)內(nèi)其它的電動(dòng)車廠商也在DMS上紛紛發(fā)力，形成了差異化的競(jìng)爭(zhēng)格局。

圖7：中國(guó)部分車型DMS系統(tǒng)功能對(duì)比

（來源：億歐智庫(kù)）

如上圖7所示，高功能化和全面化是主機(jī)廠對(duì)于DMS的一致追求，但在此要求的基礎(chǔ)上，各家的監(jiān)測(cè)方案有著不同的技術(shù)路徑選擇。

有的具備生命體征監(jiān)測(cè)功能，有的則更強(qiáng)調(diào)圖像算法的功力，在表情、動(dòng)作和手勢(shì)識(shí)別上進(jìn)行AI賦能。不論是哪種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，都是傳感器提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在足夠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，則需要更高效的算法和強(qiáng)大的算力來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的乘員狀態(tài)判斷。

中國(guó)智能汽車對(duì)于DMS方案高功能化的需求，促進(jìn)了硬件廠商之間的緊密合作。各家高算力芯片廠商紛紛與傳感器廠商展開合作，實(shí)現(xiàn)軟件、硬件和算法整合，提供了完整的DMS方案，從而轉(zhuǎn)變?yōu)榱薚ier X的全新供應(yīng)商角色。

座艙監(jiān)測(cè)的未來：融合整車架構(gòu)，提供主動(dòng)式服務(wù)

早期DMS主要是為了糾正駕駛員的不良駕駛習(xí)慣，隨著輔助駕駛系統(tǒng)的普及，未來進(jìn)入到L3的時(shí)代后，DMS將成為實(shí)現(xiàn)安全駕駛的關(guān)鍵。但座艙內(nèi)監(jiān)測(cè)的價(jià)值并不僅僅局限在駕駛層面，隨著未來出行的場(chǎng)景升級(jí)，座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將成為整個(gè)駕乘體驗(yàn)構(gòu)成的關(guān)鍵。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士分享，DMS的技術(shù)發(fā)展有兩大趨勢(shì)：

未來DMS和OMS將會(huì)融合為一個(gè)完整的座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（IMS），為座艙未來功能多樣化提供技術(shù)基礎(chǔ)；

車內(nèi)外視覺與其他傳感器數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外的安全一體化。

圖8：主機(jī)廠的DMS搭載進(jìn)度

（來源：ResearchInChina）

傳統(tǒng)車廠在進(jìn)行DMS部署的時(shí)候，大多仍傾向于直接向DMS方案供應(yīng)商購(gòu)買高性價(jià)比的方案，直接裝車，并未全盤考慮車輛整體的智能化體驗(yàn)和未來升級(jí)路線。

新勢(shì)力車廠在進(jìn)行DMS和OMS的開發(fā)時(shí)，則已經(jīng)考慮到了未來的發(fā)展趨勢(shì)，因此在整車的域控架構(gòu)的設(shè)計(jì)層面，就已經(jīng)將DMS和其它域控實(shí)現(xiàn)了功能上的聯(lián)動(dòng)；同時(shí)在硬件預(yù)埋上，也預(yù)留了足夠的空間用于后續(xù)應(yīng)用升級(jí)。

隨著AI算法的升級(jí)，譬如情緒識(shí)別等復(fù)雜功能的識(shí)別準(zhǔn)確度也會(huì)逐漸提高，智能化體驗(yàn)便有了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。未來，IMS將會(huì)結(jié)合駕乘人員的體征信息和車外的道路環(huán)境信息，預(yù)判用戶的意圖，提供主動(dòng)式的服務(wù)，打造更舒適的個(gè)性化駕乘空間。

圖9：座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（來源：貿(mào)澤電子）

座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵：傳感器

整個(gè)座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能構(gòu)建，都基于前端傳感器所捕獲的數(shù)據(jù)，因此傳感器器件的選擇是關(guān)鍵。

雖然3D ToF、毫米波雷達(dá)等新技術(shù)也一同納入到了座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，但圖像傳感器仍是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心，起到了最為關(guān)鍵的信息采集作用。

在此我們?yōu)榇蠹彝扑]兩款適合車載應(yīng)用的CMOS圖像傳感器，分別是來自ams OSRAM的Mira030和來自安森美（onsmei）的AR0140AT。

Mira系列成像傳感器是ams OSRAM推出的0.3MP全局快門CMOS圖像傳感器，該系列產(chǎn)品擁有高量子效率，可搭配使用低功率發(fā)射器，即使在昏暗照明條件下也可以實(shí)現(xiàn)圖像捕捉。Mira系列產(chǎn)品的尺寸極小，可在低功耗狀態(tài)下運(yùn)行；全局快門可同時(shí)曝光陣列的所有像素，從而捕捉快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)且不會(huì)失真。Mira030是該系列推出的新款產(chǎn)品，它的輸出有效像素陣列為1080H × 1280V，并支持復(fù)雜的片上操作，例如高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）模式、外部觸發(fā)、水平或垂直鏡像等。在全圖像分辨率下，其最大幀速率為180fps。該器件在貿(mào)澤電子的料號(hào)為Mira030-1RM2WP。

圖10：Mira030產(chǎn)品框圖

（來源：ams OSRAM）

為了方便開發(fā)者實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估，ams OSRAM還和英偉達(dá)合作提供了基于Mira030的JetCiS評(píng)估套件。該套件通過Mira030進(jìn)行原始圖像捕獲，然后基于Linux的開放式開發(fā)平臺(tái)，在 nVidia Jetson Nano 嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行圖像信息處理。通過一個(gè)圖形用戶界面，用戶可以進(jìn)行傳感器配置和分析，譬如曝光控制、HDR、直方圖和線輪廓等等。

圖11：JetCis評(píng)估套件

（來源：ams OSRAM）

另一款推薦的圖像傳感器AR0140AT，這是一款1/4英寸，1.0Mp CMOS數(shù)字圖像傳感器，提供1280H x 800V有效像素陣列。該器件的特點(diǎn)是采用了安森美（onsemi）創(chuàng)新全局快門像素設(shè)計(jì)，適用于準(zhǔn)確快速的移動(dòng)場(chǎng)景捕捉。在低光度和亮度場(chǎng)景下也能產(chǎn)生清晰的無噪點(diǎn)圖像，并且能夠同時(shí)捕捉連續(xù)視頻和單幀圖像。AR040AT同樣也包含了多種復(fù)雜的攝像功能，如自動(dòng)曝光控制、行跳過模式、列跳過模式、像素裝倉(cāng)以及視頻和單幀模式等。該器件在貿(mào)澤電子的推薦產(chǎn)品料號(hào)為AR0140AT3C00XUEA0-DPBR2。

圖12：AR0140AT產(chǎn)品圖

（來源：安森美）

要實(shí)現(xiàn)座艙監(jiān)測(cè)，需要較好的光照條件，大功率的LED必不可少。而大功率LED的驅(qū)動(dòng)，則可以選擇同樣來自安森美的NCV30161遲滯降壓恒流驅(qū)動(dòng)器，它是駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等應(yīng)用的理想選擇。遲滯控制在負(fù)載瞬變和PWM調(diào)光期間提供良好的電源抑制和快速響應(yīng)，專用PWM輸入可實(shí)現(xiàn)寬范圍的脈沖調(diào)光，高開關(guān)頻率允許使用更小的外部組件，最大限度地減少空間和成本。該器件推薦的具體產(chǎn)品型號(hào)在貿(mào)澤電子的料號(hào)為NCV30161MNWTXG。

圖13：NCV30161評(píng)估板

（來源：安森美）

DMS不能僅僅通過圖像傳感器采集到的數(shù)據(jù)來做出決策，更要結(jié)合多種不同的檢測(cè)信息。例如通過方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，結(jié)合當(dāng)前路況，綜合判斷駕駛員的狀態(tài)，所以位置傳感器在DMS中也同樣非常關(guān)鍵。

ams OSRAM推出的AS5116就是一款符合AEC-Q100車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的軸上磁性位置傳感器，工作環(huán)境溫度范圍為-40°C至+150°C。該器件采用非接觸式的方式，可在360°完整機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行精確角度測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)30,000rpm的情況下，整個(gè)360°轉(zhuǎn)動(dòng)中具有僅1°（最大值）的固有非線性度。在5V的工作電壓下，輸出噪聲低至 2.47mVrms。這些特性使AS5116能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的測(cè)量輸出。此外，采用8引腳SOIC封裝的占板面積僅為4.9mm x 6.0mm，與早期的ams OSRAM位置傳感器相比，更容易集成到汽車系統(tǒng)板布局中。該器件推薦的具體產(chǎn)品型號(hào)在貿(mào)澤電子的料號(hào)為AS5116-HSOM。

圖14：AS5116產(chǎn)品框圖

（來源：ams OSRAM）

結(jié)語(yǔ)

座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)邁過了技術(shù)成熟期，即將迎來應(yīng)用搭載的高峰期，DMS將成為新的安全標(biāo)準(zhǔn)配置。

隨著AI在座艙內(nèi)的賦能，未來座艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可以提供更多主動(dòng)的預(yù)測(cè)服務(wù)，為駕乘者提供更舒適的乘坐體驗(yàn)。貿(mào)澤電子代理了諸多行業(yè)領(lǐng)先的汽車元器件廠商，提供與座艙監(jiān)測(cè)應(yīng)用相關(guān)的關(guān)鍵車規(guī)級(jí)器件，助力工程師實(shí)現(xiàn)更安全的座艙監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，帶來更安全的未來駕乘體驗(yàn)。